机器人装配模块化建筑单元，或可大幅降低建筑碳排放

麻省理工学院的研究人员在一项新研究中指出，利用机器人装配模块化建筑单元，相比某些现有施工技术，有望成为一种更环保的大型建筑建造方式。

研究团队开展了一项可行性研究，评估了使用"体素"（voxel）构建简单建筑的效率。体素是一种模块化三维子单元，可组装成复杂且坚固的结构。

在研究多种体素的性能后，研究人员开发了三种新设计，旨在简化建筑施工流程。他们还研制了一款机器人装配系统，以及一套用户友好的操作界面，用于生成基于体素的建筑布局并向机器人下达指令。

研究结果显示，与3D混凝土打印、预制模块混凝土和钢框架等主流技术相比，这套基于体素的机器人装配系统可将建筑材料全生命周期内的"隐含碳"排放量降低高达82%。在成本和工期方面，该系统也具备较强竞争力。不过，制造体素所选用的材料，对其碳足迹和成本影响显著。

尽管在大规模推广应用之前，仍需进一步探索可扩展性、耐久性、长期稳健性以及防火性能等重要问题，但研究人员表示，初步结果已充分彰显了这一方案在自动化现场施工领域的巨大潜力。

"我对离散晶格的机器人装配技术尤为期待，它能将数字化制造真正引入建筑环境，以一种切实可行的方式实现更高效、更可持续的建造。"麻省理工学院比特与原子研究中心（CBA）的研究生、本文第一作者米娅娜·史密斯表示。

论文合著者还包括：瑞士洛桑联邦理工学院研究生、曾任麻省理工学院访问研究员的保罗·理查德，CBA研究生阿方索·帕拉·鲁比奥，以及通讯作者、麻省理工学院教授、CBA主任尼尔·格申菲尔德。该研究发表于《建筑自动化》期刊。

更优模块的设计之路

过去数年间，比特与原子研究中心的研究人员持续研发体素技术——这是一种晶格结构构件，可组装成具有高强度和高刚度的物体，广泛应用于飞机机翼、风力涡轮机叶片及航天结构等领域。

"我们正在将航空航天领域的原理应用于建筑。为什么不能像造飞机一样高效地建造房子？"格申菲尔德说。他的实验室此前已与NASA、空客和波音开展了体素装配方面的合作研究。

为探究基于体素的装配策略在建筑领域的可行性，研究人员首先对八种现有体素设计的力学性能和可持续性进行了评估，包括用玻璃增强尼龙制成的立方八面体，以及用钢材制成的开尔文晶格。

在此基础上，他们基于新几何构型开发了三种体素，使其更易于被机器人装配成更大的结构。新设计以高强度、高刚度的八面体晶格为基础，可在机械作用下自动对齐，形成刚性结构。

"这些体素的互锁特性，使我们无需大量连接件就能获得良好的力学性能，从而大幅提升施工速度。"史密斯说。

为加快施工效率，研究团队设计了一套基于蠕虫状机器人的装配系统，这些机器人通过固定和伸展身体的方式在体素结构上爬行。这款名为MILAbot的模块化蠕虫晶格装配机器人，利用两端的夹爪放置体素构件并完成卡扣连接。

"机器人可以将体素放入指定位置，再踩上去使各部件互锁咬合。凭借机器人与体素之间的机械关系，我们可以实现精准操控。"史密斯解释道。

研究团队分别评估了用塑料、胶合板和钢材制造新体素设计所需的隐含碳，随后评估了使用机器人装配系统建造一栋单层建筑的效率和成本，并与其他施工方式的表现进行了对比。

潜在的环保效益

研究发现，大多数现有体素（尤其是塑料材质的体素）在可持续性方面表现不佳，但他们设计的钢制和木制体素展现出显著的环保优势。

例如，使用钢制体素产生的隐含碳仅为3D混凝土打印的36%、预制混凝土的52%；胶合板体素的碳足迹最低，分别仅需上述两种方式的约17%和24%。

"对于基于塑料的体素方案，仍存在可行路径，只是需要在塑料种类、填充材料和几何形状上作出更具针对性的选择。"史密斯表示。

此外，钢制和木制体素方案的预计现场装配时间平均为99小时，而现有施工方式的平均用时为155小时。

这一速度优势源于体素装配的分布式特性。单台MILAbot单独作业时远慢于现有技术，但当20台机器人并行协作时，该系统在成本更低的前提下，其效率可赶上甚至超越现有自动化施工方法。

"这种方法的一大优势在于它的渐进性。建造过程中如果需要增加房间，直接扩建即可。它同样是可逆的——若用途改变，可以拆解体素并重新配置结构。"格申菲尔德说。

研究团队还开发了一套操作界面，用户可通过输入数据或手动设计来构建体素化结构。该自动化系统能够规划MILAbot的施工路径，并向装配机器人发送指令。

格申菲尔德透露，该项目的下一步计划是在不丹建立更大规模的测试基地。CBA曾协助当地搭建"超级制造实验室"，此次将在此复制机器人系统，为一座规划中的可持续城市测试相关建造技术。

未来的研究方向还包括：评估体素结构在横向荷载下的稳定性、改进考虑系统物理特性的设计工具、优化MILAbot性能，以及研究集成外墙板材、保温层或水电管线路由的体素设计。

"我们的研究有力支持了这样一个观点：分布式机器人装配或许是将数字化制造引入建筑施工的切实可行之道。"史密斯说。

"这是尼尔·格申菲尔德及其团队又一富有远见的探索——探寻如何借助微型机器人让建筑实现'自我建造'。我深受启发，迫切想知道如何利用这一理念，让建筑外立面的设计更加经济实惠、更具活力和美感。"设计与建筑事务所Heatherwick Studio的创始人托马斯·赫斯维克表示。他并未参与本研究。

本研究部分由麻省理工学院比特与原子研究中心联合体提供资助。

Q&A

Q1：体素化机器人装配系统能减少多少碳排放？

A：根据麻省理工学院的研究，与3D混凝土打印、预制模块混凝土和钢框架等主流施工技术相比，基于体素的机器人装配系统可将建筑材料全生命周期内的隐含碳排放量降低高达82%。其中胶合板体素的碳足迹最低，钢制体素次之，效果均显著优于传统建造方式。

Q2：MILAbot机器人是如何装配体素的？

A：MILAbot是一种模块化蠕虫晶格装配机器人，通过固定和伸展身体的方式在体素结构上爬行移动。机器人两端装有夹爪，用于抓取并放置体素构件，踩压使其卡扣互锁。新设计的体素采用八面体晶格结构，具有机械自对齐特性，无需大量额外连接件，因此装配速度更快、精度更高。

Q3：体素装配建筑的施工速度与传统方式相比如何？

A：研究预测，钢制和木制体素方案的现场装配时间平均约为99小时，而现有施工方式平均需要155小时。这一速度优势依赖于多台机器人的并行协作——虽然单台MILAbot效率较低，但20台机器人同时作业时，整体效率可赶上甚至超越现有自动化施工方法，且成本更具竞争力。